深海底采礦機(jī)器車關(guān)鍵技術(shù)綜述

海洋占地球總面積的71%。隨著地球上礦產(chǎn)資源匱乏等問(wèn)題日益嚴(yán)重，海洋礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視。海洋礦產(chǎn)包括含錳、銅、鈷、鎳、金、銀等十幾種礦物,已探明儲(chǔ)量多達(dá)15000億t的錳結(jié)核,是目前海底礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。錳結(jié)核賦存于水深4000～6000m的深海底表面,表現(xiàn)為直徑為0.5～25cm的黑色礦物塊群。已知的賦存海域廣泛分布于從東太平洋的夏威夷群島到北美大陸之間的深海底以及印度洋等。在人類開(kāi)發(fā)海底礦產(chǎn)資源的進(jìn)程中,集機(jī)械學(xué)、密水技術(shù)、聲學(xué)傳感技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、水下精確導(dǎo)航與定位技術(shù)和人工智能等諸多學(xué)科為一體的深海底采礦機(jī)器車扮演了重要的角色。深海底采礦機(jī)器車作為深海底智能作業(yè)機(jī)器人的先行者,其研究開(kāi)始于20世紀(jì)70年代,到目前為止,已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和試驗(yàn)產(chǎn)品。深海底采礦機(jī)器車的發(fā)展,推動(dòng)了深海底作業(yè)機(jī)器人的發(fā)展,也促進(jìn)了水下機(jī)器人技術(shù)、水下圖像處理、聲學(xué)傳感技術(shù)、水下精確定位與導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。1海底多金屬燒結(jié)礦物目前,深海底采礦機(jī)器車主要被設(shè)計(jì)用來(lái)采集賦存于水下1000～6000m海底表面的多金屬結(jié)核礦物。深海底采礦機(jī)器人攜帶采集頭將礦物收集起來(lái),破碎后經(jīng)軟管和硬管吸揚(yáng)至海面船。該類海底作業(yè)機(jī)器人,均攜帶水力或機(jī)械工作頭、動(dòng)力站、電子設(shè)備、軟管或電纜柔性體等遙控行走于海底,進(jìn)行海底作業(yè)。1.1海底采礦機(jī)器車的gps定位深海底采礦機(jī)器車的工作環(huán)境極為惡劣。6000m海底存在600個(gè)大氣壓高壓、1～4℃低溫、不均勻的海流作用、無(wú)自然光以及流塑狀海底沉積物等,在此種極限環(huán)境下,作業(yè)機(jī)器車的控制和導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)亦十分困難。由于電磁信號(hào)在水中的衰減很快,通常用于陸地的GPS定位系統(tǒng)不能用來(lái)對(duì)海底機(jī)器車進(jìn)行精確定位,只能采用聲學(xué)定位系統(tǒng)。現(xiàn)有的聲學(xué)定位系統(tǒng)定位精度較差(只有10m級(jí),且受工作噪聲干擾嚴(yán)重。機(jī)器車行走底質(zhì)為含水率極高的海底沉積物,塑性指數(shù)高,內(nèi)聚力小,具有觸變特性(被擾動(dòng)后其承載能力急劇下降),呈流塑狀,不同地點(diǎn)其性質(zhì)存在區(qū)別。該種“稀軟底”的地面環(huán)境是一種完全不同于陸地的底質(zhì),使得海底采礦機(jī)器車行走過(guò)程中打滑嚴(yán)重,不均勻,行走狀態(tài)難以測(cè)量。同時(shí),深海底采礦機(jī)器車在工作過(guò)程中,車體最前部的采集頭工作時(shí)將對(duì)車體產(chǎn)生反作用力,并將表面沉積物擾動(dòng)或破壞,揚(yáng)起大量海底沉積物,將機(jī)器車周邊包圍,使水下攝像機(jī)等基于光學(xué)的環(huán)境感知傳感器不能發(fā)揮作用;機(jī)器車作業(yè)時(shí)發(fā)出的強(qiáng)烈噪聲,亦對(duì)基于聲學(xué)原理的圖像聲納成像和聲學(xué)定位系統(tǒng)的測(cè)量形成嚴(yán)重干擾。1.2海底多金屬核吸法深海底采礦機(jī)器車作為深海底多金屬結(jié)核采集系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)的重要組成部分,主要任務(wù)為收集海底的多金屬結(jié)核,經(jīng)破碎后泵送至揚(yáng)礦軟管,再由軟管泵和6000m硬管輸送泵泵送至海面采礦船,工作對(duì)象為海底表層的多金屬結(jié)核。由于深海底質(zhì)的“稀軟”性及深海環(huán)境的未知性,如何保證機(jī)器車在海底的安全、按預(yù)定軌跡精確行走以及高效的采礦效率,是深海底采礦機(jī)器車的主要研究?jī)?nèi)容。2人類深海底采礦車研究歷史深海底采礦機(jī)器車的研究起始于20世紀(jì)70年代。歷經(jīng)40余年的研究,人類積累了一些深海底采礦車的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。目前,具代表性的深海采礦車主要有以下幾種。2.1機(jī)械集礦器于1978年在夏威夷以南海域進(jìn)行了試驗(yàn),并成功收集結(jié)核。參見(jiàn)圖2。(1)行走機(jī)構(gòu)液壓驅(qū)動(dòng),阿基米德螺旋行走機(jī)構(gòu)。其工作原理是螺旋葉片陷入海泥中,螺旋體旋轉(zhuǎn)推動(dòng)海泥,使行走機(jī)構(gòu)獲得向前或向后的推力而前進(jìn)或后退。其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,海底通過(guò)性能好;缺點(diǎn)為行走打滑、承載能力低、功耗大、對(duì)海底擾動(dòng)較大。(2)集礦方式采用轉(zhuǎn)輪和鏈帶機(jī)械集礦(見(jiàn)圖3)。由兩根鏟斗鏈把多金屬結(jié)核鏟起,通過(guò)輸?shù)V膠帶傳輸?shù)劫A礦罐。其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,耗能低;缺點(diǎn)為集礦效率不高,轉(zhuǎn)速較高時(shí),結(jié)核有隨水流漂浮現(xiàn)象,一些用圓柱齒制作的工作表面易被細(xì)泥堵塞。(3)傳感裝置一個(gè)測(cè)障聲納,一個(gè)姿態(tài)角傳感器,一臺(tái)深海攝像機(jī)。(4)幾何參數(shù)長(zhǎng)3415mm,寬2440mm,高2100mm。2.2漸開(kāi)線履齒橡膠東南角海底車德國(guó)從20世紀(jì)70年代就開(kāi)始了深海底采礦機(jī)器車的研制。經(jīng)歷幾十年的研究,形成了具有德國(guó)特色的采礦系統(tǒng)。圖4為德國(guó)錫根大學(xué)研制的采礦機(jī)器車。該車的改進(jìn)型于1999年7月在印度的淺海試驗(yàn)成功。(1)行走機(jī)構(gòu)液壓驅(qū)動(dòng),漸開(kāi)線履齒橡膠履帶行走機(jī)構(gòu)。該車的特點(diǎn)是采用了特殊形式的擺動(dòng)車架,支承輪也能擺動(dòng),因此該底盤車能較好地適應(yīng)海底復(fù)雜地形,具有較好的越障能力。履帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,漸開(kāi)線履齒對(duì)沉積物的作用如同齒輪與齒條嚙合,對(duì)沉積層擾動(dòng)較小。(2)集礦方式高壓水射流集礦(圖5)。集礦時(shí),前排射流將結(jié)核從沉積層上沖起,后排反向射流擋住沖起的結(jié)核往后的去路,并與前排射流產(chǎn)生一向上的合流將結(jié)核抬起,并沖向后部的輸送機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)表明,該集礦頭可在集礦高度100～200mm內(nèi)工作,高度為140mm時(shí),集礦效率可達(dá)100%。(3)傳感裝置一個(gè)測(cè)障聲納,一個(gè)磁通門羅盤,一臺(tái)多普勒測(cè)速儀,兩個(gè)測(cè)速編碼器,一臺(tái)深海攝像機(jī)。(4)幾何參數(shù)長(zhǎng)3.1m,寬3m,高2m。2.3海底壓力采礦車1980年前后,法國(guó)Vertut等人研制了一種梭車型潛水采礦機(jī)器車(圖6)。這種采礦車靠自身重量下行,一般與豎直方向成一定角度。壓倉(cāng)物貯存在結(jié)核倉(cāng)內(nèi),當(dāng)采礦車快到達(dá)海底時(shí),釋放一部分壓艙物以便采礦車徐徐降落。采礦車采用阿基米德螺旋推進(jìn)器在海底行走,一邊排出壓艙物,一邊采集等效重量的結(jié)核,以保持采礦車在海底的浮力。因采礦車由浮性材料制成,所以在水中的重量接近零。當(dāng)最后一點(diǎn)壓艙物被排出,采礦車在阿基米德推進(jìn)器的作用下返回到海面(參見(jiàn)圖7)。法國(guó)所設(shè)計(jì)的第二代梭型潛水遙控采礦車模型機(jī)PLA-2型外形尺寸為5.5m×3.3m×2.6m,重16t(包括壓艙物)。由于系統(tǒng)投資大,產(chǎn)品價(jià)值不高,法國(guó)大洋結(jié)核研究開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)(AFERNOD)于1983年已停止研究。2.4拖兩種濾料的研制日本在連續(xù)鏈斗系統(tǒng)試驗(yàn)失敗后,于20世紀(jì)80年代初轉(zhuǎn)入拖曳式水力射流集礦機(jī)(圖8)的研究。但經(jīng)過(guò)多年的研究,日本已認(rèn)識(shí)到拖曳式行走方式不能滿足生產(chǎn)要求,正準(zhǔn)備轉(zhuǎn)向自行走集礦機(jī)的研究。2.5印度的機(jī)器車模型印度于19世紀(jì)70年代即開(kāi)始了多金屬結(jié)核采礦的研究,但進(jìn)展緩慢。通過(guò)與德國(guó)錫根大學(xué)合作,采用錫根大學(xué)研制的履帶車底盤,并自行研究了獨(dú)特的集礦頭,與1999年7月進(jìn)行了200m淺海試驗(yàn),并取得了成功。圖9為印度的采礦機(jī)器車模型。該車長(zhǎng)3160mm,寬2950mm,重10t,最大速度0.75m/s。在車頂安裝有一個(gè)可左右擺動(dòng)的機(jī)械臂,機(jī)械臂的下方為一個(gè)泥漿泵。采礦時(shí),通過(guò)機(jī)械臂的左右擺動(dòng),用泥漿泵抽取海底表面的多金屬結(jié)核。該車除可采集多金屬結(jié)核外,也可進(jìn)行海底采沙。2.6第二代采礦機(jī)器車我國(guó)從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始對(duì)深海底采礦機(jī)器車進(jìn)行研究,在綜合研究國(guó)外機(jī)器車作業(yè)行走機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,長(zhǎng)沙礦山研究院在“八五”期間研制了一臺(tái)自行式履帶車模型機(jī)(圖10)。該車采用近似漸開(kāi)線高齒橡膠履帶,雙浮動(dòng)懸架和橫向擺動(dòng)梁,雙泵全功率供油,液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng),電液比例控制,采用水力機(jī)械復(fù)合集礦方式,外形尺寸4.6m×3.0m×2.1m,重8t,行駛速度0～1m/s。“九五”期間,在“八五”研究的基礎(chǔ)上,由我國(guó)自行設(shè)計(jì),與法國(guó)Cebynetic公司合作,研制了第二代采礦機(jī)器車(圖11)。主要改進(jìn)表現(xiàn)為采用尖三角齒特種合金履帶板,提高了集礦機(jī)在深海稀軟底環(huán)境下的可靠性和可行駛性;改用全水力集礦方式,進(jìn)一步提高了集礦機(jī)的集礦效率;增加了控制密水箱和相關(guān)傳感器,提高了集礦機(jī)的可操作性。“九五”期間研制的第二代采礦機(jī)器車于2001年在云南撫仙湖進(jìn)行了試驗(yàn),達(dá)到了牽引特性理想、牽引力大、承載能力強(qiáng)、跨越或繞過(guò)海底障礙容易、能適應(yīng)軟海底行走的預(yù)期目標(biāo),從130m深的湖底采集并回收模擬結(jié)核900kg,具有國(guó)際先進(jìn)水平。歷經(jīng)10余年的努力,我國(guó)深海底自行走采礦機(jī)器車的機(jī)械模型研制工作已基本完成,機(jī)器車控制技術(shù)研究為“十五”期間重點(diǎn)研究方向之一。3深海底人工智能車智能行為組成影響深海底采礦機(jī)器車工作性能的因素有多金屬結(jié)核收集系統(tǒng)和智能機(jī)器人系統(tǒng)兩方面。目前,多金屬結(jié)核收集系統(tǒng)主要有以高壓水射流作為采集方式的水力集礦系統(tǒng)和采用機(jī)械傳送的機(jī)械集礦系統(tǒng)兩種方式。由于該部分目前已比較成熟,不作為討論重點(diǎn)。智能機(jī)器人系統(tǒng)提供了深海底機(jī)器車的智能行為。對(duì)于完全自主采礦機(jī)器車,其工作過(guò)程應(yīng)該包括深海底特殊未知環(huán)境的行走、環(huán)境認(rèn)知、自主路徑規(guī)劃和自主采礦。這些行為必須以傳感器為基礎(chǔ),采集外界信息,形成對(duì)外界的統(tǒng)一描述,借助人工智能的方法進(jìn)行決策,從而形成智能行為。目前,深海底采礦機(jī)器車只達(dá)到“避開(kāi)簡(jiǎn)單障礙”和初步的“路徑規(guī)劃”水平,但其自主能力仍處在不斷發(fā)展之中。3.1自行式深海底采礦機(jī)器車深海底采礦車必須攜帶采集機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置、破碎機(jī)、軟管、電子倉(cāng)和浮力材料等行走于海底,要求能耐60MPa的高壓,按開(kāi)采路線行走,無(wú)故障作業(yè)2000h以上,同時(shí),從保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā),不能對(duì)深海底產(chǎn)生過(guò)度的破壞。深海底沉積物完全不同于陸地的底質(zhì),其剪切強(qiáng)度極低(0.4～1.6kPa),且具有攪動(dòng)流體特性(流變限度150%～230%),是一種具有特種“稀軟”特性的極限底質(zhì)。海底沉積物的低承載性和低剪切性,使得普通陸地車輛的行駛機(jī)構(gòu)不能直接使用于采礦車;深海環(huán)境的脆弱性、難恢復(fù)性、以及深海沉積物的攪動(dòng)流體特性,決定了人類習(xí)慣于水中使用的螺旋槳驅(qū)動(dòng)方式同樣不適合于深海底采礦機(jī)器車。目前,自行式深海底采礦機(jī)器車行走機(jī)構(gòu)主要有以美國(guó)為代表的“阿基米德螺旋”和以德國(guó)、中國(guó)為代表的特種設(shè)計(jì)履帶式行走機(jī)構(gòu)。該兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn):阿基米德螺旋式結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,海底通過(guò)性好,但行走打滑,承載能力低,功耗大,對(duì)海底擾動(dòng)較大;經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的履帶式結(jié)構(gòu)牽引力和承載力大,跨越或繞過(guò)障礙物容易,對(duì)海底擾動(dòng)較小,但對(duì)底質(zhì)適應(yīng)性不好,可能因遭遇極稀軟底質(zhì)陷入海底。3.2長(zhǎng)、短基線技術(shù)深海底一片漆黑。由于電磁波在水中的衰減很快,GPS信號(hào)不能到達(dá)6000m深的海底。現(xiàn)有的深海定位系統(tǒng)多采用基于聲學(xué)定位的長(zhǎng)基線、短基線及超短基線技術(shù)。其中,定位精度最好的長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)也只能達(dá)到米級(jí)的定位精度。因此,只能主要依賴慣性導(dǎo)航。另外,采礦車行走和采礦時(shí)會(huì)掀起大量的海底沉積物,這將使得采礦車周圍的環(huán)境受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng),使攝像頭等傳感器的性能受到嚴(yán)重影響。研究以慣性導(dǎo)航為主的深海底自動(dòng)導(dǎo)航和定位技術(shù)也是深海底采礦車正常工作需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。3.3路徑規(guī)劃及技術(shù)一般的路徑規(guī)劃問(wèn)題主要是尋求從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無(wú)碰撞路徑。但是深海底采礦機(jī)器車的路徑規(guī)劃具有“遍歷”的特點(diǎn)。規(guī)劃器的目標(biāo)是在既定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)器車的行走路徑對(duì)工作區(qū)域的最大覆蓋和最小重復(fù)率。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)掃雷機(jī)器人、吸塵機(jī)器人、農(nóng)業(yè)收割機(jī)器人等都具有重要意義。深海底采礦機(jī)器車的遍歷路徑規(guī)劃方法可以分為無(wú)環(huán)境模型的規(guī)劃方法和基于環(huán)境模型的規(guī)劃兩類方法。3.3.1隨機(jī)+局部遍歷規(guī)劃目前,即時(shí)定位和環(huán)境建模技術(shù)還處于探索階段,所以廣泛使用無(wú)環(huán)境模型的規(guī)劃方式,即隨機(jī)工作方式和隨機(jī)+局部遍歷規(guī)劃的方式。隨機(jī)工作方式的前提是,在時(shí)間足夠長(zhǎng)的條件下,機(jī)器車的行走路徑可以完全覆蓋工作區(qū)域。顯然這種方式效率不高。而隨機(jī)+局部遍歷規(guī)劃的方式是在缺少全局環(huán)境地圖和全局定位能力的條件下,在局部范圍內(nèi)進(jìn)行遍歷性質(zhì)的路徑規(guī)劃。這種方式對(duì)定位能力和環(huán)境建模精度要求低,但采礦效率高,重復(fù)率較低。目前,我國(guó)研制的深海底采礦機(jī)器車即采用該種規(guī)劃方式。3.3.2工智能輔助規(guī)劃目前,基于環(huán)境地圖的全局規(guī)劃研究主要處于理論研究方面。由于深海底環(huán)境的未知性和復(fù)雜性,多采用人工智能的手段進(jìn)行規(guī)劃。文獻(xiàn)針對(duì)海底環(huán)境的時(shí)變性,提出了一種與時(shí)間有關(guān)的模糊推理規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[15-16]將工作區(qū)域分解為神經(jīng)單元,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行了全局遍歷路徑規(guī)劃以及障礙物周邊區(qū)域的覆蓋問(wèn)題的研究。文獻(xiàn)采用構(gòu)造代價(jià)函數(shù),使用優(yōu)化的思想指導(dǎo)機(jī)器人的遍歷行為,并證明了遍歷路徑的存在。4深海底定位關(guān)鍵技術(shù)目前,深海底采礦機(jī)器車尚處于試驗(yàn)研究階段,其自主能力和工作效率方面還不夠理想,需要在技術(shù)上解決深海底未知環(huán)境定位與導(dǎo)航技術(shù)、稀軟底環(huán)境機(jī)器車可行駛性技術(shù)、基于聲學(xué)傳感器的多傳感器融合及導(dǎo)航技術(shù)等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上,深海底采礦機(jī)器車可以向高度智能化、多機(jī)器車協(xié)作、低成本的方向發(fā)展。4.1局部法路徑規(guī)劃現(xiàn)在的深海底采礦機(jī)器車在行為上還處于“低級(jí)生物”的階段,環(huán)境感知能力有限,對(duì)路徑的規(guī)劃只是基于局部環(huán)境信息的簡(jiǎn)單規(guī)劃方式。由于深海底環(huán)境的復(fù)雜性和未知性,該種規(guī)劃方式效率較低